Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В настоящее время в странах СНГ в буровом породоразрушающем инструменте используются как природ­ные, так и синтетические алмазы, а также композиционные материалы на основе синтетических алмазов.

В качестве объемных алмазов из синтетического сырья ис­пользуются поликристаллические алмазы марки АРСЗ и АРК4 размером 500-2500 мкм (7-400 шт/кар), получаемые путем дробления синтетических алмазов типа «спеки», спеки ци­линдрической формы марки СВСП (0,4-0,8 кар).

Синтетические поликристаллические алмазы АРК4 и АРВ1 (ГОСТ 9206-80) или АСПК и АСБ соответственно с плотными поликристаллическими образованиями с однородной мелко­зернистой структурой, получаемыми из графита путем синте­за в присутствии металлорастворителей. Выпускаются под на­званием карбонадо в виде цилиндров диаметром 2,3 и 4 мм, длиной до 4 мм, или под названием баллас. По динамической прочности алмазы АРК4 превосходят природные монокри — сталлические алмазы.

Синтетические поликристаллические алмазы АРСЗ (ГОСТ 9206-80) или СВСП представлены цилиндрами размером 4×4 мм и массой 0,6-6,8 кар, имеют светло-серый цвет. Могут постав­ляться в дробленом виде.

Наибольшее распространение для изготовления алмазных коронок получили синтетические поликристаллические алма­зы марки АРК4 (дробленые карбонадо АСПК) и АРСЗ (спеки СВСП). Зернистость дробленых синтетических поликристал — лических характеризует их размер и измеряется в микромет­рах для основной фракции, преобладающей по массе. Размер зерен каждой фракции алмазных зерен определяют по раз­мерам ячеек в свету двух контрольных сит, причем через верхнее сито зерна должны проходить, а на нижнем — задер­живаться. Поэтому зернистость алмазов обозначается дро­бью, числитель которой соответствует размеру стороны ячей­ки верхнего сита, а знаменатель — размеру стороны ячейки нижнего сита. Зернистость выпускаемых поликристалличе — ских алмазов (в мкм) и соответствующие ей значения проч­ности алмазных зерен (в Н) марок АРК4 и АРСЗ приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3 Зернис­ тость Прочность, Н, алмазов АРК4 АРСЗ 2500/2000 980,0 1176,0 2000/1600 784,0 931,0 1600/1250 510,0 588,0 1250/1000 451,0 392,0 1000/800 367,0 274,0 800/630 245,0 152,0 630/500 157,0 113,0

Благодаря повышенной термостойкости алмазы АРСЗ мо­гут применяться для оснащения буровых коронок при обыч­ной технологии спекания матрицы. По износостойкости АРСЗ не уступают природным алмазам.

Синтетические монокристаллические алмазы выпускаются

(ГОСТ 0206-80) следующих марок: АСО (обычной прочности), АСР (повышенной прочности), АСВ (высокой прочности) и АСС (сверхпрочные). Эти алмазы имеют размер зерен 0,04- 1 мм, а также выпускаются микропорошки из этих алмазов с размерами зерен от 1 до 60 мкм. Твердость алмазов АСС со­ставляет 80-100 кН/мм2.

В институте сверхтвердых материалов Национальной Ака­демии наук Украины им. В. Н. Бакуля (ИСМ НАНУ) разрабо­таны и выпускаются для оснащения бурового инструмента монокристаллические синтетические алмазы (СА), сверхтвер­дые композиционные алмазосодержащие материалы типа твесал и алмазно-твердосплавные пластины (АТП).

Для оснащения бурового инструмента используются моно­кристаллические СА с размерами зерен от 650/500 до 250/200 мкм. Цифровой индекс марки алмазов обозначает среднюю арифметическую величину показателей прочности на сжатие всех зернистостей определенной марки. Например, АС 100 — алмаз синтетический со средней прочностью зерен 100 Н.

Поскольку при синтезе образуются зерна СА различного качества, большое значение приобретает использование ме­тодов их сортировки (по форме, характеру поверхности, маг­нитным свойствам и др.), обеспечивающих отбор алмазов не­обходимого качества.

В данном разделе приведены сведения только о тех свой­ствах СА, которые оказывают существенное влияние на ра­ботоспособность алмаза в буровом инструменте.

Значения прочности СА и области применения в буровом инструменте представлены в табл. 6.4 и 6.5.

Таблица 6.4 Зернистость СА, мкм Прочность, Н АС65 АС80 АС 100 АС 125 АС 160 630/500 500/400 400/315 315/250 250/200 Примечание. Е тическом сжатии, в зн 120 16 103 23 88 37 73 59 63 83 числителе аменателе 153 18 130 29 112 48 94 73 78 95 Приведен! — при дина 190 22 155 37 133 60 109 87 92 116 J значения мическом 238 27 194 47 166 72 136 102 115 130 прочности мгруженш 298 50 242 55 207 86 170 112 144 140 при ста- i.

Марка	Характеристика	Коэффи­ циент формы зерен	Область приме­нения
АС65	Совершенных кристаллов не ме­нее 20 %, обломков кристаллов, сростков и агрегатов не более 10%		Изготовление по­родоразрушающе­го инструмента для бурения скважин в мягких породах VII-VIII категории по буримости
АС80	Совершенных кристаллов — не ме­нее 45 %, обломков кристаллов и сростков не более 12 %	< 1,2	То же в породах средней твердости ІХ-Х категорий по буримости То же в крепких породах Х-ХІ ка­тегорий по бури­мости
АС 100	Совершенных кристаллов не ме­нее 55 %, обломков кристаллов и сростков — не более 8 %	< 1,18
АС 125	Совершенных кристаллов не ме­нее 70 %, обломков кристаллов и сростков не более 6 %	< 1,15	То же
АС 160	Совершенных кристаллов не ме­нее 85 %, обломков кристаллов и сростков не более 4 %	< 1,15	«»

Обычно кристаллы СА окрашены в желтый цвет, и их размер не превышает 1 мм. От природных синтетические ал­мазы отличаются только тем, что они имеют включения ме­таллов-растворителей.

У кристаллов СА отмечено резкое снижение прочности после нагрева свыше 800 °С, что объясняется растрескивани­ем зерен, возникающим вследствие возрастания внутренних напряжений вокруг включений металлов-растворителей. Это обусловлено различием коэффициентов температурного рас­ширения и сжимаемостей алмазов и металла растворителя, плавлением включений и графитизацией алмаза вокруг них. Объем включений при этом увеличивается на 15-20 %.

Величина снижения прочности СА после термообработки выражается коэффициентом термопрочности, показываю­щим, во сколько раз уменьшается прочность зерен после на­грева до 1200 °С в водородной среде, и зависит от содержа­ния включений и их состава, которые определяются условия­ми роста кристаллов.

Для повышения термопрочности алмазов в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) разработан способ синтеза алмазов, позволяющий получить кристаллы с массовой долей включений в пределах от 0,2 до 0,5 %. Эти алмазы, обознача­ются индексом Т. В табл. б. б и 6.7 приводятся значения коэф-

Зернистость алмазов,	Коэффициент термопрочности синтетических алмазов марок
мкм	АС65Т	АС80Т	АС100Т	АС125Т	АС160Т
630/500	3,2	3,2	3,3	3,5	3,7
	33	33	БЗ	73	83
500/400	2,4	2,5	2,6	2,8	3,0
	33	*3	33	577	73
400/315	1,7	1,8	2,0	2,4	2,6
	33	33	33	33	33
315/250	1,5	1,6	1,7	‘ 1,8	2,2
	33	33	33	33	33
250/200	1,4	1,5	1,6	1,7	2,0
	23	372	33	33	33
Примечание.	В числителе приведены значения коэффициента
прочности при статическом сжатии, в знаменателе — нагружении.	при динамическом

Таблица 6.7 Марка алмазов Характеристика Коэффи­ циент формы зерен Рекомендуемая область применения АС80Т АС100Т, АС125Т Монокристаллы кубоокта­эдрической формы с ори­ентированными включени­ями То же < 1,2 < 1,1 Изготовление породораз­рушающего инструмента для бурения скважин в аб­разивных породах УШ-Х категорий по буримости То же в абразивных по­родах Х-Х1 категорий по буримости

фициентов термопрочности алмазов марки ACT, их характе­ристика, область применения.

Применение термопрочных алмазов весьма эффективно при бурении скважин в сложных геологических условиях, связанных с абразивностью, трещиноватостью, перемежаемо­стью и т. д. Показатели прочности алмазов марки ACT, синте­тических алмазов зарубежных фирм и природных алмазов приведены в табл. 6.8.

Таблица 6.8 Марка алмазов Зернистость, мкм Показатель прочности, Н Коэффициент снижения прочности исходного после на­грева ACT 500/400 207,0 69,3 2,99 SDA-100 500/400 239,0 49,0 4,78 MBS-70 500/400 238,0 104,0 1,67 Природные 250/200 339,0 324,0 1,03 630/500 1499,0 1460,0 1,02

Наряду с влиянием на прочность наличие в СА металлов- растворителей придает им ферромагнитные свойства. Ферро­магнитные примеси в СА можно обнаружить непосредствен­но по поведению отдельных зерен в магнитном поле. Алмазы с большим количеством примесей реагируют на меньшую на­пряженность магнитного поля, и наоборот, — алмазы с мень­шим количеством примесей отсортировываются при более высокой напряженности поля. Изучение этих свойств и раз­деление СА в соответствии с ними производится на электро­магнитном сепараторе типа 138-СЭМ, который позволяет ре­гулировать напряженность магнитного поля до 875 кА/м и таким образом выделять практически немагнитные кристаллы.

Сравнение ферромагнитных свойств и прочности СА по­сле отжига при различных температурах показывает, что, по — видимому, в исходных СА часть металлических включений переходит в ферромагнитное состояние и такой переход влияет на прочность алмазов.

Исследования показывают, что оптимальное значение на­пряженности сепаратора при разделении монокристаллических СА составляет 44,6 кА/м. Отобранные при этом алмазы обла­дают наиболее высокой прочностью. Такой режим работы по­зволяет выделить около 60 % зерен немагнитной фракции и 40 % — магнитной.

Кристаллографический анализ показывает, что алмазы магнитной и немагнитной фракций одной партии практиче­ски не отличаются по агрегатности (содержание монокри­сталлов и сростков) и окраске (магнитная фракция при визу­альном сравнении лишь несколько темнее, что связано с ко­личеством включений), но зато значительно отличаются по дефектам поверхности, крупным сторонним включениям, а также трещинам и сколам.

Таким образом, можно сделать вывод, что монокристалли- ческие СА обладают различными свойствами.

Выполненный комплекс исследований позволил разрабо­тать композиционный материал твесал на основе твердых сплавов с включениями синтетических алмазов. Физико­механические свойства твесалов в зависимости от зернисто­сти и концентрации СА приведены в табл. 6.9.

Изделия из твесала изготовляются различной формы и размеров. Так, в буровых коронках для оснащения подрезно­го слоя применяется твесал цилиндрической формы, а объем­ного слоя — трапецеидальной.

Для повышения эффективности использования поликри- сталлических алмазов в буровом инструменте разработан ряд

Характеристика твесалов Мате­ риал мат­ рицы Марка алмазов Кон­центра­ция ал­мазов, % Зерни­стость алма­зов, мкм Плот­ ность, г/см3 Модуль упру­ гости, ГПа Удар­ная вяз­кость, 10“4 Дж/м2 Проч­ ность при изгибе, МПа Изно­ состой­ кость, см3/мм ВК6 ВК6 ВК6 ВК6 ВК6 ВК6 ВК6 ВК6 пР ние ал» АС80Т АС80Т АС80Т АС80Т АС80Т АС50 АС12Т имена* юзов мае 150 125 100 100 100 100 100 и е. За сой 4,4 315/250 315/250 315/250 200/160 500/400 315/250 315/250 100%-ну cap в 1 ci 14,94 10,76 11,73 12,23 12,35 12,08 12,30 12,25 то конце и3 алмазе 623 580 622 626 614 631 616 630 нтрацик шосного 1,60 0,73 0,80 0,94 0,90 0,62 0,95 1,15 npHHHN СЛОЯ. 1497±61 286±18 388±18 395±24 380±32 290±48 387±23 482±17 гается се 5.7 3,6 2,0 1.8 0,7 4,8± >держа-

способов спекания при высоких давлениях и температу­рах алмазно-твердосплавных пластин (АТП), обладающих по­вышенной прочностью, термостойкостью и ударной вязко­стью.

Большинство изделий — двухслойные, в которых поликри- сталлический алмазный слой изготавливают на подложке из твердого сплава (карбида вольфрама, цементированного ко­бальтовой смазкой), что сводит к минимуму напряжения, воз­никающие между слоями при спекании АТП вследствие раз­личия коэффициентов термического расширения алмаза и подложки.

При спекании сложных сверхтвердых материалов проис­ходит пропитка алмазного слоя металлом-связкой подложки. Осуществляется активация спекания поликристаллического алмазного слоя, и иногда происходит рост алмазных зерен из раствора углерода в металле связки.

Фирмой «General Electric» (США) выпускаются многослой­ные пластины на основе алмаза марок Compax, Simpax, Megapax, Stratopax. В бурении наибольшее распространение получил материал Stratopax, представленный пластинами диа­метром 13,5 мм и толщиной 3,5 мм с поликристаллическим покрытием алмазов 0,5 мм. Из цилиндрических пластин изго­тавливаются пластины треугольной, квадратной, ромбической форм и сегменты.

Алмазный слой состоит из спеченных между собой кри­сталлов, 60 % которых имеют размеры 100-150 мкм, осталь­ные — от 5 до 60 мкм. Твердость пластин Stratopax при ее из­мерении алмазной пирамидой с ромбическим основанием

(индентором Кнупа) на приборе ПМТ-3 при нагрузке 9,8 Н составляет от 50 до 81 ГПа.

Фирма «De Beers» (ЮАР) выпускает материал Sindit в виде двухслойных пластин, состоящих из алмазного слоя толщиной 1,0-1,5 мм и твердосплавной подложки. Заготовки Sindit вы­пускаются в виде дисков (90 типоразмеров), пластин (11 ти­поразмеров) и круговых сегментов (60 типоразмеров). Размер кристаллов в алмазном слое — более 80 мкм с мелкими части­цами 20-30 мкм в промежутках. Между алмазным слоем и подложкой имеется промежуточный слой толщиной 50 мкм, состоящий из очень мелких (1-5 мкм) спеченных алмазных зерен. Твердость Sindit по Кнупу составляет 49,8 ГПа, предел прочности на растяжение 1,29 ГПа, при поперечном изгибе — 1,10 ГПа.

Изготовленный материал Sindit не имеет поверхности раз­дела между твердосплавной подложкой и поликристалличе — ским алмазным слоем, что исключает разрушение пластин при нагреве в процессе бурения.

Фирмой «Sumitomo Electric» (Япония) выпущены — поликри — сталлические алмазы на твердосплавной подложке под мар­кой Sumi DJADA трех разновидностей DA-200, DA-150, DA — 100. Алмазы DA-150 обладают высоким сопротивлением абра­зивному износу; из них изготавливают неперетачиваемые пластины треугольной, квадратной и ромбической форм с размерами по ребрам 3-16 мм и толщиной 1,5-5,0 мм.

В СНГ разработано несколько марок поликристаллических алмазов на подложке ДАП, СВБН, БПА, АТП, АЛВ. Материал АТП (совместная разработка ИСМ и ВНИИалмаз) применяет­ся в основном для оснащения породоразрушающего инстру­мента.

Цилиндрические пластины АТП изготовляются двух типо­размеров: диаметром и 8,0 и 13,5 мм и толщиной соответст­венно 3,0 и 3,5 мм при толщине алмазного слоя 0,7-0,8 мм. При строгании блока кварцевого песчаника с углубкой 0,5 мм пластиной АТП при износе по высоте 0,8 мм было пробурено более 700 м, что превышает проходку пластины Stratopax ана­логичных размеров.

Остальные показатели пластины АТП близки соответст­вующим показателям природных алмазов.

Наличие в алмазном слое металлов — растворителей угле­рода может привести к снижению эксплуатационных свойств пластин при нагреве выше 1000 °С. В слое появляются ради­альные трещины, а иногда происходит отделение слоя от твердосплавной подложки. Поскольку АТП не меняют своих свойств при нагреве до 900-950 °С, их закрепляют в корпусе бурового инструмента с помощью пайки низкотемператур­ным припоем на основе серебра (ПСР-40), обеспечивающим прочность на сдвиг от 250 до 380 МПа.

Комментарии запрещены.